Введение к работе
Актуальность проблемы. Компрессия аудиоданных является неотъемлемой частью телекоммуникационных мультимедийных систем, систем мобильной связи, бортовых систем связи, функционирующих на основе обеспечивающих целостность передаваемых данных современных протоколов передачи данных. Такие системы функционируют в реальном времени, поэтому важнейшей характеристикой является быстродействие используемых алгоритмов компрессии. Быстродействие оказывает влияние на число одновременно обслуживаемых пользователей, время работы мобильного устройства от батареи, стоимость специализированных вычислительных средств обработки аудио, возможность кодирования аудио в фоновом режиме при использовании ресурсов вычислителя для других задач.
Алгоритмы компрессии аудиосигналов многочисленны и разнообразны по своим характеристикам. Однако известные алгоритмы компрессии аудио, как правило, обладают либо сравнительно малым коэффициентом сжатия при низкой трудоёмкости, либо характеризуются высоким коэффициентом сжатия при высокой трудоёмкости. Поэтому при выборе конкретного алгоритма компрессии производится поиск компромисса между желаемым коэффициентом сжатия и трудоёмкостью алгоритма.
Для обработки звуковых сигналов в телефонных сетях в начальный период внедрения цифровой связи активно использовались алгоритмы на основе дельта-преобразования первого порядка. Главной отличительной особенностью этих алгоритмов являлась предельная простота реализации. Вместе с тем, дельта-преобразование первого порядка характеризовалось низкой точностью и существенным ограничением скорости изменения преобразовываемого сигнала.
С повышением требований к качеству аудиокодирования стали развиваться методы компрессии, основанные на дельта-преобразованиях второго порядка, характеризующихся также простотой реализации, но более высокими динамическими характеристиками. Вопросы построения алгоритмов дельта-преобразования второго порядка освещены в работах Р. Стила, А. В. Шилейко, Г. Г. Меньшикова, de Jeager F. и многих других. Важной проблемой для практического использования известных алгоритмов дельта-преобразования второго порядка долгое время оставалась неустойчивость преобразований, в связи с чем, эти алгоритмы практически оказывались непригодными.
Дельта-преобразования второго порядка, характеризующиеся стабильностью, оптимизацией по быстродействию и точности, впервые были освещены в работах П. П. Кравченко и использованы для компрессии аудиосигналов. Данный метод компрессии, в отличие от широко используемых в настоящее время методов компрессии аудиосигналов, характеризуется предельно низкой вычислительной трудоёмкостью при кодировании и декодировании, однако уступает по степени сжатия исходного сигнала.
В связи с отмеченным выше, проблема повышения степени компрессии аудиосигнала, закодированного на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка, с обеспечением существенно малой вычислительной трудоёмкости кодирования и декодирования сигнала по сравнению с известными современными методами компрессии аудиосигналов, является актуальной.
Целью работы является разработка методов и алгоритмических средств повышения степени компрессии аудиосигналов, закодированных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
анализ известных методов и алгоритмов компрессии звуковых данных, их достоинств и недостатков;
исследование дельта-последовательности с целью выявления возможностей повышения степени компрессии;
разработка модифицированных методов и алгоритмов компрессии аудиосигналов на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка;
4) разработка программной модели и проведение экспериментальных исследований.
Объектом исследования являются методы и алгоритмы компрессии аудиосигналов.
Методы исследования опираются на математический аппарат теории оптимизированных
дельта-преобразований второго порядка, теории информации, теории вероятностей.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1) Разработано теоретическое обоснование существования для множества цепочек дельта-битов одинаковой длины таких, которые в некотором приближении можно считать идентичными.
Предложен метод повышения компрессии на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся от известного введением дополнительного кодирования цепочек дельта-последовательности определенной длины. Разработаны алгоритмы компрессии и декомпрессии на основе кодирования цепочек дельта-битов длины 4, обеспечивающие гарантированно малое снижение качества. Теоретический выигрыш в компрессии на основе 4-битных цепочек с использованием предложенных методов и алгоритмов составляет ~ 30 % по сравнению с базовым алгоритмом дельта-преобразования.
Разработано теоретическое обоснование существования для множества особых цепочек дельта-битов, соответствующих полупериодам аудиосигнала и названных минимальными сериями, таких, которые в некотором приближении можно считать идентичными.
Предложен метод повышения компрессии на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся от известного алгоритма введением дополнительного кодирования на основе семейств минимальных серий, соответствующих полупериодам исходного аудиосигнала. Разработаны алгоритмы компрессии и декомпрессии на основе кодирования семейств минимальных серий, обеспечивающие гарантированно малое снижение качества. Теоретический выигрыш в компрессии на основе данного метода и алгоритмов составляет ~ 45-55 % по сравнению с базовым алгоритмом дельта-преобразования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод повышения компрессии на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся от известного алгоритма введением дополнительного кодирования цепочек дельта-последовательности фиксированной длины.
Алгоритмы компрессии и декомпрессии на основе дополнительного кодирования цепочек дельта-последовательности длиной 4 бита, отличающиеся возможностью повышения компрессии на ~30 % по сравнению с известным алгоритмом на основе дельта-преобразований второго порядка и обеспечивающие при этом гарантированно малое снижение качества.
Метод повышения компрессии на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся от известного алгоритма введением дополнительного кодирования на основе кодирования семейств минимальных серий, соответствующих полупериодам исходного аудиосигнала.
Алгоритмы компрессии и декомпрессии на основе кодирования семейств минимальных серий, соответствующих полупериодам исходного аудиосигнала, отличающиеся возможностью повышения компрессии на 45-55 % по сравнению с известным алгоритмом на основе дельта-преобразований второго порядка и обеспечивающие при этом гарантированно малое снижение качества.
Практическая ценность диссертационного исследования состоит в применимости предложенных методов для решения актуальных задач эффективного сжатия звуковых данных. Благодаря низкой трудоёмкости разработанных методов наибольший интерес представляет их применение в многоканальных телекоммуникационных системах, в специализированных системах с одновременной интенсивной параллельной обработкой информации другого назначения, бортовых систем связи, функционирующих на основе обеспечивающих целостность передаваемых данных современных протоколов передачи данных.
Возможность повышения степени компрессии разработанных алгоритмов на ~ 30%—55% по сравнению с базовым алгоритмом на основе дельта-преобразований второго порядка сочетается с обеспечением высокого быстродействия по сравнению с другими известными аудиокодеками. В частности, проведенные эксперименты с использованием широко известных оптимизированных программных кодеков и разработанных в рамках диссертации кодеков с неоптимизированным программным кодом показывают, по крайней мере, в -2-4.5 раз меньшую трудоемкость при кодировании и 3-5.5 раз при декодировании при обеспечении сходного уровня компрессии. Увеличение трудоемкости разработанных кодеков по сравнению с базовым алгоритмом, основанном на оптимизированных дельта-преобразованиях второго порядка, составляет ~ 1.1-1.3 раз при кодировании и ~ 1.1-1.5 раз при декодировании.
Предложенная методология кодирования представляет интерес для эффективного решения задачи защиты аудиосигналов от несанкционированного доступа в реальном масштабе времени.
Результаты работы использовались в учебном процессе на кафедре Математического обеспечения и применения ЭВМ Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге. Результаты работы внедрены в программно-аппаратном комплексе ГР-телефонии ООО
НИИ "СПЕЦСТРОЙ-СВЯЗЬ" в виде программных средств, реализующих алгоритмы компрессии аудиосигналов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на VII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Информационные технологии, системный анализ и управление", Таганрог, 2009; VI Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Таганрог, 2010; Всероссийской научной школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и студентов "Интеллектуализация информационного поиска, скантехнологии и электронные библиотеки", Таганрог, 2010; XXV Международной научно-технической конференции "Интеллектуальные САПР", Дивноморское, 2010; XI Международной научно-практической конференции "Информационная безопасность 2010", Таганрог, 2010; V Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления", Домбай, 2010; X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 2010.
Публикации. Результаты, полученные в работе, нашли отражение в 9 печатных работах, среди них 3 статьи в издании, рекомендованном ВАК и 1 свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам № 2009611765 "Программная система компрессии речевых сигналов".
Структура работы. Материал основной части диссертационной работы изложен на 130 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 74 наименований, содержит 72 рисунка, и 3 приложений на 42 листах.
